История развития вычислительной техники

1.

История развития вычислительной техники
1. В доэлектронной истории вычислительной техники выделяют три периода:
- домеханический (с пещерных времен до середины XVII в.);
- механический (с середины XVII в. до конца XIX в.);
- электромеханический (с конца XIX в. до 40-х гг. XX в.).
2. С древних времен перед человечеством стояли задачи,
требовавшие все возрастающих объемов вычислений - это появление собственности
на землю, развитие торговли и путешествий.
3. Для вычислений использовались различные средства, которые имели различные
возможности. К ним относятся:
-
примитивные средства (счет на пальцах, счет на камнях,
насечки на дереве или кости (бирки), узелковое письмо);
-
первые приспособления (все разновидности абака, счеты);
- первые приборы (счетные палочки Непера, логарифмические шкалы и линейки).

2.

1. Домеханический период
Рис. 1. Счет на пальцах

3.

рис. 2. Счет на камнях

4.

Рис. 3. насечки на дереве

5.

Рис. 4. Узелковое письмо
Рис. 5. Узел, обозначающий
единицу в кипу

6.

Рис. 6. Римский абак
Рис. 8. Японский абак – соробан
Рис. 7. Китайский абак –
суаньпань
Рис. 9. Представление числа
123 456 789 на соробане

7.

Рис. 10. Дощаный счет. Модель
устройства, описанного
в «Счетной мудрости» в 1691 г.
Рис. 11. Русские счеты

8.

Революцию в области механизации
умножения и деления совершил шотландский
математик лорд Джон Непер (John Naiper, 1550–1617).
Джон Непер известен двумя изобретениями.
1. Первое изобретение – в 1617 г. Джон Непер
предложил инструмент, получивший название
«счетные палочки Непера».
Палочки Непера (1617 г.).
Выполним умножение
259 на 8
Берем три
палочки, первыми
цифрами которых
являются 2,5 и 9.
Рис. 12. Вычисления на палочках Дж. Непера
Джон Непер
Складываем две цифры в
каждом отрезке, находящиеся
на строке 8, и записываем
результат под ним справа
налево. Получается 2072

9.

На этом инструменте можно было извлекать
квадратные и кубические корни, умножать и делить
большие числа. Кроме того, Непер предложил
счетную доску для операций умножения, деления,
возведения в квадрат и извлечения корня в
двоичной системе счисления (рис. 13).
Каждую степень числа 2 Непер обозначил отдельной буквой. Из этих букв и цифр формируется
любое двоичное число. Для перевода из двоичной
системы в десятичную и обратно были разработаны
специальные алгоритмы.
Рис. 13. Счетная доска для выполнения
арифметических операций в двоичной
системе счисления

10.

2. Второе изобретение – изобретение Непером логарифмов, о
чем сообщалось в работе «Описание удивительной таблицы
логарифмов», опубликованной в 1614 г. (рис. 14).
Логарифм – это показатель степени, в которую нужно возвести
число (основание логарифма), чтобы получить другое заданное число. Непер понял, что таким способом можно выразить
любое число. Например, 100 – это 102, а 23 – это 101,36173.
Более того, он обнаружил, что сумма
логарифмов чисел а и b равна логарифму произведения этих
чисел: ln a + ln b = ln (ab).
Благодаря этому свойству сложное действие умножения
сводилось к простой операции сложения. Чтобы перемножить
два больших числа, нужно лишь посмотреть их логарифмы в
таблице, сложить найденные значения и отыскать число,
соответствующее этой сумме, в обратной таблице, называемой
таблицей антилогарифмов.
Рис. 14. Обложка
книги Дж. Непера

11.

Логарифмическая шкала
Наиболее удачной была идея профессора астрономии Грэшемского колледжа Эдмунда
Гюнтера. Он построил логарифмическую шкалу, которая использовалась вместе с двумя
циркулями-измерителями. Эта шкала («шкала Гюнтера») представляла собой
прямолинейный отрезок, на котором откладывались логарифмы чисел или
тригонометрических величин. (Несколько таких шкал наносились на деревянную или
медную пластинку параллельно.) Циркули-измерители нужны были для сложения или
вычитания отрезков вдоль линий шкалы, что в соответствии со свойствами логарифмов
позволяло находить произведение или частное.
Изобретателями первых логарифмических линеек
независимо друг от друга являются Уильям Отред и
Ричард Деламейн. Это событие произошло между 1620 и 1630 гг. В 1654 г. англичанин Роберт Биссакер
предложил конструкцию прямоугольной логарифмической линейки, сохранившуюся в принципе до нашего
времени.
Рис. 15. Круговая линейка
У. Отреда
Рис. 16. Логарифмическая линейка ХХ в.

12.

Контрольные вопросы
1. Каков первоначальный смысл английского слова «компьютер»?
2. Какие периоды выделяют в истории вычислительной техники?
3. Каковы причины появления примитивных средств, первых приспособлений и приборов?
4. Какой предмет, созданный древним человеком за 30 тыс.
лет до н.э., свидетельствует о том, что уже тогда существовали
зачатки счета?
5. Как называется счетное устройство, состоящее из доски,
линий, нанесенных на нее, и нескольких камней?
6. В какой стране впервые появился абак?
7. В какой стране впервые появились счеты?
8. Кто изобрел логарифмы в 1614 г.?
9. Какие существовали разновидности абака?

13.

2. Механический период
Среди двухтомного собрания рукописей
итальянского ученого Леонардо да Винчи
(1452–1519), известных как «Codex Madrid» и
посвященных механике, уже в наше время были
обнаружены чертежи и описание 13-разрядного
суммирующего устройства
Рис. 17. Машина Леонардо да Винчи

14.

Суммирующая машина Б. Паскаля
Первую машину, которая могла считать сама, создал
французский ученый Блез Паскаль (1623–1662).
Он задумал ее еще в детстве. Его отец работал
сборщиком налогов и все вечера занимался
подсчетами.
Сын видел, как отец уставал от этого занятия, и мечтал
подарить отцу машину, которая бы облегчила его труд.
В 1642 г. Б. Паскаль сконструировал первый механический
вычислитель, позволяющий складывать и вычитать числа.
Для выполнения арифметических операций Паскаль заменил поступательное
перемещение костяшек в абаковидных инструментах на вращательное
движение оси (колеса). Таким образом, в его машине сложению чисел
соответствовало сложение пропорциональных им углов. Эта машина вошла в
историю вычислительной техники под названием «Паскалина».
Первая работающая машина была изготовлена в 1642 г., но окончательный
вариант ее появился только в 1654 г. Она представляла собой небольшой
латунный ящик размером 350х125х75 мм.

15.

а)
Рис. 18. Паскалина: а – вид спереди; б – вид сзади
б)

16.

Рис. 19. «Паскалина».
Механизм передачи десятков

17.

Счетная машина Г. В. Лейбница
Немецкий философ, математик, физик
Готфрид Вильгейм Лейбниц (1646–1716) в
1673 г. создал «ступенчатый
вычислитель» – счетную машину,
позволяющую складывать, вычитать,
умно-жать, делить, извлекать квадратные
корни. Машина работала с 12-разрядными числами.
К зубчатым колесам Г. Лейбниц добавил
ступенчатый валик, позволяющий выполнять умножение и деление.

18.

Рис. 17. Арифмометр Г. Лейбница
(реконструкция)

19.

Рис. 18. Арифмометры начала XX в.

20.

Рис. 19. Арифмометры
«Феликс»
В 1899 г. В. Однер организовал большое
предприятие в Петербурге на Васильевском
острове в Тараканьевском переулке, где был
расположен завод В. Однера по производству
арифмометров. После эмиграции В. Однера в
Швецию в 1917 г. арифмометры его конструкции продолжали выпускать на заводе им.
Дзержинского под маркой «Феликс». В 1969 г. их
было произведено 300 000 штук (рис. 19).

21.

Рис. 20. Арифмометр
П. Л. Чебышева
В ее основу был положен
Рис. 21. Клавишные арифмометры
изобретенный П. Чебышевым принцип
«непрерывной передачи десятков».
Суть этого принципа в том, что шестеренка
единиц, делая полный оборот, поворачивает
шестеренку десятков на 1/10 оборота, а
шестеренку сотен – на 1/100 и т.д. Этот
принцип получил настоящее признание
гораздо позже,
лишь с применением электропривода.

22.

На протяжении XVIII в. появились новые, более совершенные модели
вычислительных устройств, но принцип механического управления
вычислительными операциями оставался тем же. Идея программирования
вычислительных операций пришла из часовой промышленности.
Старинные монастырские башенные часы были настроены так, чтобы в
заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов.
Такое программирование было жестким – одна и та же операция
выполнялась в одно и то же время.
Впервые автоматизированная обработка информации появилась
приблизительно в 1800 г., когда Джеквард Лум начал производить раскрой
ткани по образцам, представленным перфокартами. Позже аналогичная
технология использовалась в механических пианино.
Идея гибкого программного управления – перфокарты Ж. Жаккара
Идея гибкого программирования механических устройств с помощью
перфокарты впервые была реализована в ткацком станке Ж. Жаккара.
После этого оставался только один шаг до программного управления
вычислительными операциями.
Французский ткач и механик Жозеф Жаккар создал первый образец
машины, управляемой введенной в нее информацией. В 1802 г. он
построил машину, которая облегчила процесс производства тканей со
сложным узором.

23.

Рис. 22. Перфокарты, соединенные в виде
ленты, в станке Жаккара
Рис. 23. Перфокарта Жаккара

24.

Разработка Г. Прони технологической схемы вычислений
В 1795 г. французский математик Гаспар Прони (1755–
1839), которому французское правительство поручило
выполнение работ, связанных с переходом на
метрическую систему мер, впервые в мире разработал
технологическую схему вычислений. Эта схема
содержала три этапа и предполагала разделение труда
математиков на три составляющие.
1. Определение (или разработка) методов
численных вычислений.
2. Задание последовательности арифметических
действий и определение исходных данных.
3. Выполнение составленной «программы».
Гаспар Прони

25.

Машины Ч. Бэббиджа
Эти два новшества – программное (с помощью перфокарт)
управление и технология вычислений при ручном счете –
явились базой для работ профессора Кембриджского
университета Ч. Бэббиджа. Из всех изобретателей прошлых
столетий, внесших тот или иной вклад в развитие
вычислительной техники, он ближе всего подошел к
созданию компьютера в современном его понимании. В
начале 1820-х гг. Чарльз Бэббидж написал специальную
работу, в которой показал, что полная автоматизация
процесса создания математических таблиц гарантированно
обеспечит точность данных, поскольку исключит все три
источника порождения ошибок.
Наивысшим достижением Чарльза Бэббиджа была разработка принципов, положенных в основу современного
компьютера, за целое столетие до того, как появилась
техническая возможность их реализации. Им были созданы
две машины – разностная (1822) и аналитическая (1830).
Оба устройства, созданные по технологиям середины XIX в.,
отлично работают и наглядно демонстрируют, что история
компьютеров вполне могла начаться на сто лет раньше.
Чарльз Бэббидж (1791-1871)

26.

Рис. 24. Современная работающая
Копия разностной машины Ч. Бэббиджа
Рис. 24. Аналитическая
машина Бэббиджа
Рис. 25. Рабочая часть
разностной машины

27.

Первая программистка Ада Лавлейс
Исследователи работ Чарльза Бэббиджа непременно отмечают
особую роль в разработке проекта аналитической машины
графини Ады Августы Лавлейс. Именно ей принадлежала идея
использования перфорированных карт для программирования
вычислительных операций. Наслышанная о создаваемой разностной машине, она с группой студентов посетила лабораторию
Ч. Бэббиджа. С этого визита Ада увлеклась вычислительными
машинами. После того, как итальянский инженер Л. Менабри
составил подробный инструктаж по конструкции аналитической
машины, Ада перевела его на английский язык. Она же нашла
некоторые ошибки в рассуждениях Ч. Бэббиджа, проработала
комментарии к тексту. В частности, использовать двоичное
представление чисел в памяти предложила именно Ада.
Ей же принадлежит изобретение циклов и подпрограмм –
Ада поняла, что при использовании условных переходов можно
будет использовать один и тот же набор перфокарт для повторяющихся последовательностей команд. Аду Лавлейс называют
первым программистом. В ее честь назван язык программирования АДА.
Ада Августа Лавлейс

28.

Краткие итоги
В течение почти 500 лет цифровая вычислительная техника сводилась к простейшим
устройствам для выполнения арифметических операций над числами. Основой практически
всех изобретенных за пять столетий устройств было зубчатое колесо, рассчитанное на
фиксацию 10 цифр десятичной системы счисления.
Первые изобретения этого периода – машины Леонардо да Винчи, В. Шиккарда.
О них ничего не было известно современникам, поэтому первой вычислительной машиной
считается суммирующая машина Б. Паскаля – «Паскалина», выполняющая операции
сложения и вычитания. Сложную в реализации операцию вычитания Паскаль заменил
сложением с дополнением вычитаемого. Этот подход используется в современных ЭВМ.
Арифмометры К. Томаса, В. Однера, П. Л. Чебышева с некоторыми усовершенствованиями
использовались до недавнего времени 80-х гг. прошлого века.
Самыми значительными изобретениями этого периода, несомненно, являются разностная и
аналитическая машины. Ч. Бэббидж разработал основные принципы построения
вычислительных машин, которые были реализованы в современных ЭВМ.
Линия арифмометров перешла затем в линию клавишных вычислительных машин.
Усовершенствование механического арифмометра продолжалось до 70-х гг. XX в.
Были разработаны многочисленные конструкции с ручным и электрическим приводом.
С заменой механических счетных устройств электронными линия механических
арифмометров перешла в линию электронных калькуляторов, а затем слилась с линией
персональных ЭВМ.

29.

3. Электромеханический период
В истории вычислительной техники этот период явился наименее продолжительным – с 1888 до 1945г.
Только переход от регистрации перемещений к регистрации сигналов позволил
значительно снизить габариты и повысить быстродействие. Однако на пути к
этому достижению потребовалось ввести еще несколько важных принципов и
понятий. К ним относятся: двоичная система счисления и математическая логика
Джорджа Буля.
Двоичная система счисления.
Идеи Ч. Бэббиджа, относящиеся к структуре полностью автоматизированной счетной
машины и принципов ее работы, удалось реализовать лишь в середине ХХ столетия в
современных компьютерах. Основным тормозом были механический принцип с чета,
господствовавший в счетной технике более 300 лет, и десятичная система счисления.
Очевидно, что такое положение не могло сохраняться долго. Успехи электроники и
электротехники привели к созданию высоко-скоростных счетных элементов.
Математическая логика Джорджа Буля. Более чем через сто лет после смерти
Г. Лейбница английский математик-самоучка Джордж Буль (1815–1864) (отец
писательницы Э. Л. Войнич) занялся разработкой универсального языка, о котором
упоминал в своих сочинениях Г. В. Лейбниц. В 1847 г. Дж. Буль написал важную
статью на тему «Математический анализ логики», а в 1854 г. развил свои идеи в
работе под названием «Исследование законов мышления». Эти основополагающие
труды Дж. Буля внесли поистине революционные изменения в логику как науку.
Дж. Буль изобрел своеобразную алгебру, впоследствии названную его именем
(Булева алгебра). Пользуясь этой системой, можно было закодировать высказывания
(т.е. утверждения, истинность или ложность которых требовалось доказать) с
помощью символов своего языка, а затем манипулировать ими подобно тому, как в
математике манипулируют обычными числами. Каждая величина может принимать
одно из двух значений – ДА/НЕТ, ЛОЖЬ/ИСТИНА. Три основные операции булевы
алгебры – это И, ИЛИ и НЕ.
Джордж Буль

30.

3.1. Табулятор Г. Холлерита
Уже после смерти Ч. Бэббиджа один из принципов, лежащих в основе
идеи аналитической машины, – использование перфокарт нашел
воплощение в действующем устройстве. Это был статистический
табулятор, построенный американцем Германом Холлеритом для
ускорения обработки результатов переписи населения, которая
проводилась в США в 1890г. Вскоре Г. Холлерит собрал табулятор,
основными устройствами которого были:
- вычислительный механизм, в котором использовались реле;
- перфоратор;
- сортировальная машина.
У Г. Холлерита возникла идея создания перфокарты, на которую можно
было бы наносить в виде отверстий обрабатываемые данные.
Первоначально он хотел применить в качестве носителя информации
бумажную ленту с отверстиями – перфоленту (рис. 45). Но ленту
приходилось часто перематывать, чтобы отыскать нужные данные. От
этого она часто рвалась, а машина плохо работала.
Рис. 26. Табулятор фирмы IBM
Рис. 27. Карты табулятора Холлерита
Герман Холлерит
Рис. 28. Перфолента

31.

Довоенные разработки
Особенно много внимания правительства разных стран стало уделять развитию
вычислительной техники перед Второй мировой войной, понимая, как много
преимуществ получает сторона, владеющая машинными способами
кодирования и декодирования информации.
«Изобретатель компьютера» К. Цузе
Z-1. В 1937 г. К. Цузе создал работающую память для хранения 12 двоичных чисел по 24 бита и занялся созданием первой версии своего вычислителя, которую он сначала назвал
Versuchsmodell-1 (V-1). Эта аббревиатура совпала с названием
немецких ракет V-1, и тогда он переименовал свое творение в
Z-1. Поэкспериментировав сначала с десятичной системой
счисления, К. Цузе предпочел все же двоичную. И здесь он про
явил незаурядные способности. Не зная о работах Дж. Буля и о
машине Ч. Бэббиджа, он тем не менее использовал в
созданной им вычислительной машине принципы булевой
алгебры. В 1936 г. К. Цузе запатентовал идею механической
памяти.
Конрад Цузе

32.

В 1934 г. К. Цузе придумал модель автоматического калькулятора, которая
состояла из устройства управления, вычислительного устройства и памяти и
полностью совпадала с архитектурой сегодняшних компьютеров.
В те годы К. Цузе пришел к выводу, что будущие компьютеры будут
основаны на следующих шести принципах:
1) двоичная система счисления;
2) использование устройств, работающих по принципу «да/нет»
(логические единица и нуль);
3) полностью автоматизированный процесс работы вычислителя;
4) Программное управление процессом вычислений;
5) поддержка арифметики с плавающей запятой;
6) использование памяти большой емкости.
Он первым в мире:
- показал, что обработка данных начинается с бита (бит он называл да/нет-статусом, а
формулы двоичной алгебры – условными суждениями);
- ввел термин «машинное слово» (word);
- объединил в вычислителе арифметические и логические операции, отметив, что
«элементарная операция компьютера – проверка двух двоичных чисел на равенство.
Результатом будет тоже двоичное число с двумя значениями (равно, не равно)».

33.

В 1937 г. гарвардский математик Говард Эйкен предложил проект создания
большой счетной машины. Спонсировал работу президент компании IBM Т.
Уотсон, который в 1939 г. вложил в нее 500 тыс. долл. из фондов своей
фирмы. Проектирование «Mark-1» началось в 1939 г., строило этот
компьютер нью-йоркское предприятие IBM (рис. 28).

34.

Машины Дж. Стибица
В 1937 г. Джордж Стибиц – математик из фирмы
«Bell Telephone Labs» – пришел к выводу, что булева логика ––
это естественный язык, на котором должна основываться
работа систем электромеханических реле.
Первую свою машину Дж. Стибиц назвал Model K.
Каждая новая разработка Дж. Стибица была шагом к созданию универсальной цифровой вычислительной машины. В 1942–
1944 гг. была построена вычислительная машина «Bell-3» с управлением с помощью программы, записанной на перфоленты.
Джордж Стибиц
Машина содержала устройство умножения, средства автоматического просмотра таблиц, записанных на бумажную перфоленту, и
запоминающее устройство на 10 слов. По образцу «Bell-3» был
построен релейный калькулятор «Bell-4».
Последней релейной машиной, построенной Дж. Стибицем,
была машина «Bell-5». Она оперировала 7-разрядными десятичными числами, выполняла сложение за 0,3 с, умножение за 1 с и
деление за 2,2 с. Прогрессивные черты вычислительной машины –
арифметика с плавающей точкой, многопроцессорная система.

35.

В 1924 г. появилась всемирно известная фирма
International Business Machines Corp (IBM).
С точки зрения преодоления различных инженерных трудностей и
применения целого ряда прогрессивных принципов (программное
управление, двоичная система счисления, операции условного перехода и
т.д.) такие машины, как Z-3 и «Марк-1», были выдающимися достижениями
своего времени. Однако вычислительные машины с таким быстродей-ствием
не могли стать основой для серьезных изменений в области автоматизации
вычислительных работ. Вычисления они выполняли чрезвычайно медленно,
так как были основаны на медленно работающих элементах.
Только появление электронных вычислительных машин привело к
постепенному закату эры электромеханических средств вычисления,
развивавшихся вплоть до середины 50-х гг. прошлого века. Но успешно
апробированные Г. Холлеритом источники ввода информации на
перфокартах широко использовались в нескольких поколениях первых ЭВМ.

36.

4. Электронный период
Предпосылки возникновения электронной вычислительной техники
1. Математические предпосылки:
- двоичная система счисления, которую Г. В. Лейбниц предложил использовать
для организации вычислительных машин,
- алгебра логики, разработанная Дж. Булем.
2. Алгоритмические предпосылки – абстрактная машина
Тьюринга, использованная для доказательства возможности машинной
реализации любого алгоритма, имеющего решение.
3. Технические предпосылки – развитие электроники.
4. Теоретические предпосылки – результаты работ К. Шеннона, соединившего
электронику и логику.
Шеннон ввел определение бита – наименьшей единицы информации в
двоичном коде, который применяется в современных компьютерах
(bit – сокращение от biпаrу digit, что означает «двоичный разряд»).
Электронно-вычислительные машины появились, когда возникла острая
необходимость в очень трудоемких и точных расчетах, особенно в таких
областях, как атомная физика, теория динамик полета и управления
летательными аппаратами. В связи с переходом на электронные
безынерционные элементы произошел качественный скачок быстродействия.
Работы, которые привели к созданию совершенно новой области техники –
электроники, были начаты еще в конце XIX в.

37.

Шеннон (Shannon) Клод Элвуд (р. 30.4.1916,
Гейлорд, шт. Мичиган, США), американский
ученый и инженер, один из создателей
математической теории информации, с 1956
- член национальной АН США и
Американской академии искусств и наук.
Окончил Мичиганский университет (1936). В
1941-57 сотрудник математической
лаборатории компании «Белл систем». С
1941 советник национальноисследовательского комитета министерства
обороны США. С 1957 профессор
электротехники и математики
Массачусетсского технологического
института. Основные труды по алгебре
логики, теории релейно-контактных схем,
математической теории связи, информации
и кибернетике.
К. Шеннон

38.

Машина Дж. Атанасова
Первой попыткой создания ЭВМ была разработка профессора федерального колледжа Айовы Джона Атанасова,
американского физика болгарского происхождения.
В 1937 г. он сформулировал, а в 1939 г. опубликовал
окончательный вариант своей концепции современной
вычислительной машины:
1) в своей работе вычислительная машина будет
использовать электричество и достижения электроники;
2) ее работа будет основана на двоичной, а не на
десятичной системе счисления;
3) основой запоминающего устройства послужат
конденсаторы, содержимое которых будет периодически
обновляться во избежание ошибок;
4) расчет будет проводиться с помощью логических, а не
математических действий.
Джон Атанасов

39.

В 1939 г. Дж. Атанасов вместе со своим ассистентом Клиффордом Э.
Берри построил и испытал первую вычислительную машину,
предназначенную для решения систем линейных уравнений с
тридцатью неизвестными (рис. 66). Они решили назвать ее АВС
(Atanasoff Berry Computer) В компьютере АВС были раздельно
выполнены блоки арифметического и оперативного запоминающего
устройств. Арифметическое устройство (рис. 29) было выполнено на
радиолампах, а оперативное запоминающее устройство – на
вращающемся барабане с конденсаторами.
Рис. 29. Блок компьютера
Атанасова–Берри и панель
с установленными на ней
электронными лампами

40.

Рис. 30. Расположение основных блоков
компьютера ABC

41.

Алан Тьюринг
Огромное влияние на развитие вычислительной
техники оказали теоретические разработки
А. Тьюринга. В 1936 г. в возрасте 24 лет он написал
работу, которая сыграла исключительно важную роль в
развитии вычислительной математики и информатики.
Работа касалась очень трудной проблемы математической логики – описания задач, которые не удавалось
решить даже теоретически. Пытаясь найти такое
описание, Тьюринг использовал в качестве
вспомогательного средства мощное, хотя и существующее лишь в его воображении, вычиительное устройство, в котором он описал основные свойства
Алан Тьюринг
современного компьютера.
А. Тьюринг назвал свое абстрактное механическое устройство «универсальная
машина», поскольку она должна была справляться с любой допустимой, т.е.
теоретически разрешимой, задачей – математической или логической. Тьюринг
показал принципиальную возможность решения автоматами любой проблемы
при условии, если возможна ее алгоритмизация. Впоследствии машина получила
название «машина Тьюринга»

42.

«Колосс» (Collossus)
В конце 1943 г. ≪затворники≫ Блетчли-Парка построили программируемую
электронную машину (рис. 31). Вместо электромеханических реле в ней
содержалось около двух тысяч электронных вакуумных ламп. Именно такую
технологию предлагал Цузе для создания новой машины, признанной в
Германии нецелесообразной. Даже количество ламп было то же самое. Англичане назвали новую машину ≪Колосс≫ (Collossus).
Разработчики машины – М. Ньюмен и Т. Ф. Флауэрс.
Рис. 31. Электронный компьютер Colossus

43.

Поколения ЭВМ
В вычислительной технике существует своеобраная периодизация
развития ЭВМ. Их принято делить на поколения. Поколение ЭВМ – это все
типы и модели ЭВМ, построенные на одних и тех же научных и технических принципах.
Основные признаки деления ЭВМ на поколения:
1. Элементная база.
2. Быстродействие.
3. Емкость памяти.
4. Способы управления и переработки информации и др. Границы
поколений во времени размыты, так как в одно и то же время выпускались
машины совершенно разного уровня. Когда приводят даты, относящиеся к
поколениям, то обычно имеют в виду период промышленного
производства. В табл. 1 приведено разделение ЭВМ на поколения.

44.

45.

Первая электронно-вычислительная
машина «Эниак»
Проект первой в мире ЭВМ был предложен 1942 г. американцами Дж.
Моучли и Дж. Эккертом. Придя к выводу о необходимости использования в
вычислительных устройствах электронных ламп, Дж. Эккерт представил
проект электронной машины, названной «Эниак».
Рис. 32. ЭВМ «Эниак»
Рис. 33. Вычислительная машина «Эдсак»

46.

Основы учения об архитектуре вычислительных
машин заложил фон Нейман в 1944 году, когда
подключился к созданию первого в мире лампового
компьютера ЭНИАК. В процессе работы над
ЭНИАКом в Институте Мура в Пенсильванском
Университете во время многочисленных дискуссий
со своими коллегами Джоном Уильямом Мокли,
Джоном Экертом (англ.), Германом Голдстайном и
Артуром Бёрксом, возникла идея более совершеной
машины под названием EDVAC. Исследовательская
работа над EDVAC продолжалась параллельно с
конструированием ЭНИАКа.
Архитектура фон Неймана — широко известный
принцип совместного хранения команд и данных в
памяти компьютера. Вычислительные системы
такого рода часто обозначают термином «машина
фон Неймана», однако соответствие этих понятий не
всегда однозначно. В общем случае, когда говорят
об архитектуре фон Неймана, подразумевают
принцип хранения данных и инструкций в одной
памяти, которая в результате стала называться
«архитектурой фон Неймана».
Джон фон Нейман
родился: 28.12.1903
в Будапеште

47.

Нейман выделил и детально описал ключевые компоненты того, что
сегодня называют ≪архитектурой фон Неймана≫ современного
компьютера (рис. 34).
Чтобы компьютер был и эффективным, и универсальным
инструментом, он должен включать следующие структуры:
1) арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и
логические операции;
2) устройство управления, организующее процесс выполнения программ;
3) запоминающее устройство или память для хранения программ и данных;
4) устройство ввода-вывода информации.
Рис. 34. Архитектура фон Неймана

48.

.1.5. ЭВМ «ЮНИВАК»
Машина «Юнивак» (UNIVAC, Universal Automatic Computer –
универсальный автоматический компьютер) представляла собой
электронное устройство с хранимыми в памяти программами
(рис. 35). Разработчики – Дж. Моучли и Дж. Эккерт. Разработка
ЭВМ «Юнивак» была завершена в 1951 г.
Рис. 35. ЭВМ «Юнивак»

49.

С. А. Лебедев
В 1948 г. начали формироваться
три основные советские научные школы
вычислительной техники:
1. Школа С. А. Лебедева. Основное
направление деятельности – разработка
машин с высочайшим быстродействием.
Под его руководством были созданы 15 типов
ЭВМ, начиная с ламповых (БЭСМ-1,
БЭСМ-2, М-20) и заканчивая современными
суперкомпьютерами на интегральных схемах.
И. С. Брук
2. Школа И. С. Брука. Основное направление деятельности – разработка малых и управляющих ЭВМ. И. С. Брук одним из первых в мире осознал, что не
для всех классов задач требуется предельная производительность.
В середине 1950-х гг. он разработал и экономически обосновал концепцию
«малогабаритных машин», предназначавшихся для использования в самых
разных областях народного хозяйства.

50.

Принципы, заложенные в разработках И. С. Брука тех лет
(М-1, М-2, М-3, М-4, М-7), позднее получили развитие в
известных сериях «Минск» и «Раздан».
3. Школа Б. И. Рамеева. Основное направление
деятельности – разработка вычислительной техники
универсального назначения. Среди множества его разработок – ЭВМ «Стрела», серия ЭВМ «Урал».
В 1948 г. был создан Институт точной механики и
вычислительной техники (ИТМ и ВТ) Академии наук СССР.
Б. И. Рамеев
Первая советская ЭВМ «МЭСМ»
В конце 1948 г. С. А. Лебедев, в то время
директор Института электротехники
Академии наук Украины, начинает
работу над малой электронной счетной
машиной (МЭСМ).
Рис. 36. ЭВМ МЭСМ

51.

ЭВМ «Стрела»
В 1953 г. была введена в эксплуатацию ЭВМ ≪Стрела≫
(рис. 37).
Она была разработана под руководством Б. И. Рамеева.
Рис. 37. ЭВМ «Стрела»

52.

Рис. 38. ЭВМ «Урал-1»

53.

Краткие итоги
Первое поколение ЭВМ – это время становления машин архитектуры фон
Неймана, построенных на электронных лампах с быстродействием 10–20
тыс. арифметических операций в секунду. Программные средства были
представлены машинным языком и языком ассемблера. В нашей стране к
первому поколению отноится первая отечественная вычислительная
машина МЭСМ, созданная в 1951 г. в г. Киеве под руководством академика
С. А Лебедева, серийные машины «Минск-1», «Стрела», БЭСМ, «Урал-1», «Урал-4» и
др.
Второе поколение ЭВМ
Важное событие, определившее возможность перехода на новую
элементную базу в производстве компьютеров, произошло в 1926 г.

54.

специалисты компании Bell Laboratories начали изучение
полупроводниковых материалов. Результатом этой работы было создание
в 1948 г. сотрудниками фирмы «Bell Telephone Laboratories» Дж. Бардином,
У. Брайттеном и У. Шокли электронного прибора, способного заменить
электронную лампу, – первого точечного германиевого транзистора (рис.
89).
Транзистор (от англ. Transfer – переносить и resistor – сопротивление) – это
трехэлектродный полупроводниковый электронный прибор, в котором ток
в цепи двух электродов управляется третьим электродом
Рис. 39. Транзистор

55.

Второе поколение приходится на период от конца 1950-х до конца 1960-х гг.
Изобретенный транзистор позволил заменить элементную базу ЭВМ на
полупроводниковые элементы (транзисторы, диоды), а также появились
резисторы и конденсаторы более совершенной конструкции.
Достоинства транзистора:
- один транзистор заменял сорок электронных ламп;
- транзистор работал с большей скоростью, чем электронная лампа;
- транзистор выделяет очень мало тепла и почти не потреблял электроэнергии;
- средний срок службы транзистора в тысячи раз превосходил
продолжительность работы электронных ламп.
ЭВМ «Минск-2»
Производство ЭВМ «Минск-2» началось в 1963 г. «Минск-2» – первая
универсальная советская ЭВМ второго поколения, предназначенная для
решения общих научных и инженерных задач (рис. 40-41).
Рис. 40. ЭВМ «Минск-22»
Рис. 41. ЭВМ «Минск-32»

56.

Краткие итоги
Особенность второго периода – использование транзистора в качестве
переключательного элемента (вместо вакуумной лам пы) с быстродействием
до сотен тысяч операций в секунду. Появились основная память на магнитных
сердечниках и внешняя память на магнитных барабанах. В это же время были
разработаны алгоритмические языки высокого уровня, такие как Алгол,
Кобол, Фортран, которые позволили составлять программы, не учитывая тип
машины. В нашей стране к этому поколению относятся машины «Минск-2»,
«Минск-22», «Минск-32», «БЭСМ-2», «БЭСМ-4», «БЭСМ-6», быстродействие
которых составляло миллион операций в секунду.
Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем.
Поэтому в середине 60-х г. Наметился переход к созданию компьютеров,
программно совместимых и построенных на микроэлектронной
технологической базе.

57.

Третье поколение ЭВМ
Третье поколение компьютеров разрабатывалось с 1964 по 1974 г. на новой
элементной базе – интегральных схемах (ИС). Впервые идея создания
интегральных схем (рис. 102) – устройств, вмещающих в себя фрагменты
электронных схем, начала активно обсуждаться в 1952 г. в Англии. Начало
этому положил эксперт по радарам Дж. Даммер. В 1952 г. Дж. Даммер
выдвинул идею создания монолитной полупроводниковой интегральной
схемы. В 1958 г. Джон Килби впервые создал опытную интегральную схему.
Промышленное производство интегральных схем началось в 1962 г.
Такие схемы могут содержать десятки, сотни и даже тысячи транзисторов и
других элементов, которые физически неразделимы. Интегральная схема
выполняет те же функции. Вначале для производства компьютеров использовались схемы малой степени интеграции (МИС). Совершенствование
технологии позволило усложнить микросхемы, появились микросхемы
средней степени интеграции (СИС). 7 апреля 1964 г. представители фирмы
IBM провели 77 прессконференций в 15 странах мира, сделав, как выразился
глава фирмы Томас Уотсон-младший, «самое важное объявление за всю
историю компании». IBM объявила о создании не одной какой-либо машины,
а целого семейства машин. «Система-360» (IBM/360) – так была названа
серия – дебютировала сразу 6 моделями, различавшимися по мощности и
стоимости.

58.

В начале января 1962 г. комитет представил свои заключения администрации
фирмы. Так родилась «Система-360» (рис. 42). Это был первый ряд
компьютеров, в котором проводилось четкое различие между архитектурой и
реализацией.
Рис. 42. ЭВМ серии IBM/360

59.

Успех «Системы-360» был столь велик, что лидирующее положение фирмы IBM
в компьютерной промышленности стало прочнее, чем когда-либо.
Дальнейшим развитием IBM/360 стали системы 370, 390 и System z.
Архитектура IBM/360 была настолько удачной, что стала де-факто
промышленным стандартом вплоть до сегодняшнего дня.
Многие другие фирмы стали выпускать совместимые с IBM/360 вычислительные машины, например, семейство 470 фирмы Amdahl, мейнфреймы
Hitachi, UNIVAC 9200/9300/9400 и др. В СССР IBM/360 была клонирована в
серии машин ЕС ЭВМ.
Шестнадцатеричная система счисления, широко применявшаяся в документации IBM/360, практически вытеснила ранее используемую восьмеричную.
Старшие модели семейства IBM/360 и последовавшее за ними семейство
IBM/370 были одними из первых компьютеров с виртуальной памятью
(соответственно со страничной и сегментной адресацией памяти) и первыми
серийными вычислительными машинами, поддерживающими реализацию
виртуальных машин. В семействе IBM/360 впервые был использован микрокод
для реализации отдельных команд процессора.

60.

Семейство ЕС ЭВМ
ЕС ЭВМ-1 («Ряд-1»)
В 1968 г. началась работа над первой машиной семейства ЕС – моделью
ЕС-1020. Она была разработана Минским филиа-ом НИЦЭВТ (главный
конструктор В. В. Пржиялковский).
Модель ЕС-1030 была разработана Ереванским НИИММ (главный
конструктор М. А. Семерджян). Число выпущенных машин – 436,
производительность – 70 тыс.
Модель ЕС-1040 создана в Карлмарксштадте (ныне Хемниц, ГДР) под
руководством главного конструктора М. Гюнтера.
Модель ЕС-1050 была разработана научно-исследовательским центром
электронно-вычислительной техники (НИЦЭВТ) (главный конструктор
В. С. Антонов). Завод-изготовитель – завод ВЭМ (Пенза). Число
выпущенных машин – 15. Производительность – 500 тыс. операций в
секунду, объем оперативной памяти – 256–1024 Кбайт.
С 1973 г. поставлялась операционная система ОС ЕС, обеспечивавшая
мультипрограммный режим с фиксированным (до пятнадцати), а вскоре и
переменным числом задач. ОС ЕС содержала трансляторы с языков
Фортран-4, Алгол-60, Кобол-65, ПЛ-1, РПГ, Ассемблер. Для отечественных
ЭВМ это было очень богатое программное обеспечение, поставляемое
производителем с машинами.

61.

Рис. 104. ЭВМ ЕС-1022
Рис. 105. ЕС-1033
ЕС-1022 (рис. 104) разработал Минский завод им. Г. К. Орджоникидзе,
ЕС-1033 (рис. 105) – Казанский завод ЭВМ, ЕС-1052 – коллективы
специального конструкторского бюро (СКБ) Пензенского завода ВЭМ и
НИЦЭВТ.

62.

ЕС ЭВМ-2 («Ряд-2»)
Модернизация машин ЕС ЭВМ-1 велась в 1973–1974 гг. параллельно с
работами по системе машин ЕС ЭВМ-2.
Задачи, поставленные перед специалистами при разработке второй очереди
ЕС ЭВМ, были следующие:
- улучшение соотношения производительность–стоимость
для машин каждого класса;
- дальнейшее развитие логической структуры процессоров
при сохранении полной программной совместимости с системой
IBM/370;
- увеличение емкости оперативной памяти у всех моделей и введение ее
виртуальной организации;
расширение состава команд, увеличение точности вычислений;
- разработка нового комплекса внешних устройств, значительное повышение эффективности средств контроля и диагностики;
- обеспечение возможности.
В течение 1976–1978 гг. прошли государственные и совместные испытания
моделей ЕС-1025 (ВНР), ЕС-1035 (СССР), ЕС-1045 (СССР), ЕС-1055 (ГДР) и ЕС1060 (СССР). Задержались в разработке ЭВМ ЕС-1015 (ВНР) и ЕС-1065 (СССР).
Для машин ЕС ЭВМ-2 были разработаны две новые оригинальные операционные системы: ДОС-3.1 и ОС-6.1.

63.

ЕС ЭВМ-3 («Ряд-3»)
В конце 1970-х гг. начались работы по формированию направлений развития
третьей очереди ЕС ЭВМ – с 1980 по 1985 гг.
Было принято вынужденное решение – разделить ЕС ЭВМ-3 на две очереди.
Первую очередь отечественных ЭВМ – ЕС-1036, ЕС-1046 и ЕС-1066 – строить на
самых новых элементах серии ИС-500, а вторую – ЕС-1037, ЕС-1047 и ЕС-1067 –
реализовать на матричных микросхемах большой степени интеграции, которые
должны были появиться к моменту начала их проектирования.
ЕС ЭВМ достигла наивысшей точки своего развития при создании ЕС ЭВМ-3.
Ежегодно выпускалось 800–1200 ЭВМ в самой различной комплектации. Около
20 % от выпуска поставлялось Министерству обороны, шел устойчивый экспорт
в Индию, Вьетнам, Китай, Кубу, страны Ближнего Востока.
К моменту окончания работ по машинам ЕС ЭВМ-3 БИС матричного типа в СССР
не появились. Таким образом, для реализации второй очереди ЕС ЭВМ-3 –
машин ЕС-1037, ЕС-1047, ЕС-1067 – не было микроэлектронной базы, и эта
программа осталась практически нереализованной. Отставание в развитии архитектуры ЕС ЭВМ от машин IBM стало нарастать.

64.

ЕС ЭВМ-4 («Ряд-4»)
Исходя из сложившейся к середине 1980-х г. ситуации с производством больших и
сверхбольших интегральных схем СГК ЕС ЭВМ предложил новую концепцию и
программу работ по дальнейшему развитию ЕС ЭВМ. Предлагалось осуществить
две большие программы – программу создания ЕС ЭВМ-4 («Ряд-4») и программу
создания и развития производства персональных ЭВМ.
Программой ЕС ЭВМ-4 предусматривалась разработка трех базовых
ЭВМ – ЕС–1130, ЕС-1170 и ЕС-1181, производительностью соответственно 2,
5–8 и 30 млн операций в секунду. Кроме того, учитывая требования пользователей,
поступавшие при формировании программы, в нее включили создание терминальной ЭВМ ЕС-1107 со встроенными средствами для работы в сетях и суперЭВМ
ЕС-1191 производительностью 1 млрд операций в секунду. Появление в программе
ЕС ЭВМ суперЭВМ было реакцией на задержку в создании машин «Эльбрус-2» и
«Эльбрус-3». Программу создания технических и программных средств
ЕС ЭВМ-4 – последнюю серьезную программу развития вычис-ительной техники
общего назначения в СССР – ждал распад. С каждым годом сокращалось финансирование. В 1998 г. На разработку технических и программных средств ЕС ЭВМ было
выделено всего 100 млн руб. Компания IBM в этом же году истратила на разработку
своих технических и программных средств 4,5 млрд долл.

65.

Во второй половине 1989 г. остановилось финансирование работ Ереванского
НИИММ по ЭВМ ЕС-1170 и СКБ Казанского завода ЭВМ по машине ЕС-1107.
С начала 1989 г. Прекращено финансирование технических и программных
средств телеобработки данных. Матричные БИС серии И-300 выпускались
заводом «Микрон» только для процессоров «Эльбрус-3.1». По этой причине
задерживалась разработка ЭВМ ЕС-1181.
С распадом СССР возникли перебои в поставках микросхем из Литвы и
появились трудности со сбытом ЭВМ в России. В 1995 г. производство ЕС-1130
было остановлено. В 1995 г. прекратилось производство ЭВМ общего назначения Единой системы, в 1997 г. – персональных ЭВМ. Еще раньше был
прерван выпуск ЭВМ Казанским заводом ЭВМ и Пензенским заводом ВЭМ, а
следовательно, и выпуск всех периферийных устройств, накопителей, блоков
и узлов для комплектации ЭВМ ЕС, производимых 14 заводами. Некогда
мощная отрасль промышленности, годовой объем продукции которой
составлял более 2 млрд руб., прекратила свое существование.

66.

Семейство малых ЭВМ – СМ ЭВМ
Подобные машины за свои небольшие размеры получили название малых или
мини-ЭВМ. Мини-ЭВМ имеют сравнительно высокое быстродействие –
400–800 тыс. операций в секунду.
В 1974 г. была принята международная программа по разработке еще одного
семейства – семейства малых ЭВМ – СМ ЭВМ. СМ ЭВМ были предназначены
для управления производством и технологическими процессами, а также
автоматизации научных экспериментов.
Первыми машинами серии стали «СМ-1», «СМ-2» и «СМ-1210».
Это были 16-битные управляющие вычислительные комплексы (УВК),
построенные по модульному принципу.
Основная модель, эксплуатировавшаяся долгие годы, –«СМ-4». «СМ-4» – 16разрядная ЭВМ производительностью до 800 тыс. операций в секунду.
Выпускалась с 1979 г. в СССР, Болгарии, Венгрии.
Следующим стало семейство, совместимое по набору команд и по
программному обеспечению с компьютерами PDP-11,
но не являющееся их копией и построенное по уникальной архитектуре.
Его представителями были 16-разрядные мини-ЭВМ «СМ-3» (1978),
«СМ-4» (1979), «СМ-1300» (1979), «СМ-1410» (1980), «СМ-1600» (1982,
двухпроцессорный), «СМ-1420» (1983)
и «СМ-1425» (1989). Среди программ для новых компьютеров
были UNIX-подобная операционная система ИНМОС.

67.

В 1987 г. было начато серийное производство 32-битных машин «СМ-1700»,
программно-совместимых с предыдущими моделями и с американскими
компьютерами VAX-11 фирмы DEC.
Краткие итоги
Машины третьего поколения – это семейства машин с единой
архитектурой, т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в
них используются интегральные схемы – микросхемы.
Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы.
Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е.
одновременного выполнения нескольких программ.
Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала
брать на себя операционная система или же непосредственно сама
машина.
Примеры машин третьего поколения – семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ
(Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др.
Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких
десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Емкость оперативной
памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

68.

4.6. Четвертое поколение ЭВМ
Этот период оказался самым длительным – с конца 70-х гг. ХХ в. по настоящее
время. Развитие микроэлектроники привело к созданию возможности
размещать на одном кристалле тысячи интегральных схем. Первый универсальный
микропроцессор Intel-8080, явившийся стандартом микрокомпьютерной
технологии и созданный в 1974 г., содержал уже 4500 элементов и послужил
основой для создания первых персональных компьютеров.
В 1979 г. был выпущен универсальный 16-битный микропроцессор Motorolla-68000
с 70 тыс. элементов, а в 1981 г. – первый 32-битный микропроцессор Hewlett
Packard с 450 тысячами элементами. Для сравнения: СБИС микропроцессора
Pentium IV включает в себя 7,5 млн транзисторов.
Микропроцессор – это интегральная микросхема, на которой размещено
обрабатывающее устройство с собственной системой команд.
С появлением микропроцессора связано одно из важнейших событий в истории
вычислительной техники – создание и применение персональных ЭВМ (ПЭВМ),
или IBM PC.

69.

Классификация компьютеров четвертого поколения, которую используют
ведущие производители компьютеров:
- суперкомпьютеры;
- большие ЭВМ (мэйнфреймы);
- серверы;
- мини-ЭВМ;
- микроЭВМ, персональные компьютеры.
К классу суперкомпьютеров относят компьютеры, которые имеют
максимальную на время их выпуска производительность.
Критерий мощности суперкомпьютера на настоящее время установили в
США, наложив ограничения на экспорт за границу вычислительных средств,
с помощью которых можно проводить численное моделирование ядерных
реакций.

70.

Первые суперкомпьютеры
Первые суперкомпьютеры появились уже среди компьютеров второго
поколения. Они были предназначены для решения
сложных задач, требовавших высокой скорости вычислений. Это
LARC фирмы «UNIVAC», Stretch фирмы «IBM», «CDC-6600»
(семейство CYBER), фирмы «Control Data Corporation» и серия
ЭВМ «Эльбрус», разработанная в СССР. Суперкомпьютер «ILLIAC-4» имел
производительность 20 MFLOPS. 1 MFLOPS (Мфлоп/с) – это миллион
операций с плавающей точкой в секунду; от англ. аббревиатуры MFLOP/S –
million of floating point operations per second).
Начиная с 1975 г. фирмой Сrау Research стали выпускаться суперкомпьютеры
«Сrау», «Сrау-1».
Рис. 43. Суперкомпьютер
«BlueGene/L»
Рис. 44. ЭВМ «Эльбрус-2»

71.

Следующая модель суперкомпьютеров семейства BlueGene – модель Blue
Gene/P, максимальная мощность которой 3 квадриллиона.
Суперкомпьютер среднего класса Intel Pentium Pro 200 операций в секунду,
или 3 петафлопс (PFLOPS) (приложение Д).
Эта машина рассчитана на работу с постоянной нагрузкой при вычислительной мощности в 1 петафлопс. Это примерно в 100 тыс. раз
больше, чем мощность среднего домашнего персонального компьютера.
В 2008 г. суперкомпьютер Blue Gene/P был приобретен для факультета
вычислительной математики и кибернетики МГУ. Это первый суперкомпьютер
серии Blue Gene, установленный в России. Он применяется для проведения
фундаментальных исследований в области нанотехнологий, моделирования
новых материалов, биомедицины, моделирования деятельности мозга и др.
Суперкомпьютер IBM Roadrunner вступил в строй в
июне 2008-го. Производительность в 1,026
петафлопа. Он был самым производительным
суперкомпьютером в мире в 2009 г. Фирма «IBM»
построила этот компьютер для Министерства
энергетики США. Суперкомпьютер Roadrunner
построен по гибридной схеме из 6480 двухъядерРис. 45. Суперкомпьютер ных процессоров AMD Opteron и 12 960
Roadrunner
процессоров IBM Cell. 8i в специальных стойках
TriBlade

72.

29 октября 2009 г. в Китае был
продемонстрирован суперкомпьютер
«Тяньхэ-1» («Млечный путь-1») (рис. 46),
разработанный экспертами Университета
оборонной науки и техники НОАК. Пиковая
производительность новой вычислительной
машины достигла 1,2 квадриллиона
операций в секунду.
После США Китай – вторая страна в мире,
которая способна создавать суперкомпьютеры пиковой производительностью
Рис. 46. «Тяньхэ-1» («Млечный путь-1»)
более одного квадриллиона. Для таких
компьютеров все чаще применяется
термин «гиперкомпьютер».
Суперкомпьютеры используются для решения сложных и
больших задач в таких областях человеческой деятельности, как:
- автомобилестроение;
- нефте и газодобыча;
- фармакология;
- прогноз погоды и моделирование изменения климата;
- сейсморазведка;
- проектирование электронных устройств;
- синтез новых материалов.

73.

Большие ЭВМ (мэйнфреймы)
Исторически большие ЭВМ появились первыми. Их элементная база прошла
путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью
интеграции.
Большие ЭВМ за рубежом чаще всего называют мэйнфреймами (Mainframe).
К мэйнфреймам относят, как правило, большие компьютеры с высоким
быстродействием и большими вычислительными ресурсами, которые могут
обрабатывать большое количество данных и выполнять обработку запросов
одновре менно нескольких тысяч пользователей.
Основными поставщиками мэйнфреймов являются известные компьютерные
компании «IBM», «Amdahl», «ICL», «Siemens», «Nixdorf» и некоторые другие,
но ведущая роль принадлежит компании «IBM». Именно архитектура
системы IBM/360, выпущенной в 1964 г., и ее последующие поколения стали
образцом для подражания. В нашей стране в течение многих лет выпускались машины ряда ЕС ЭВМ, являвшиеся отечественным аналогом этой
системы.

74.

Серверы
Серверы (рис. 47) – это мощные компьютеры, которые служат центральными
узлами в компьютерных сетях. Они обеспечивают обслуживание подключенных
к нему компьютеров и выход в другие сети.
На серверах хранится информация, которой могут пользоваться все компьютеры, подключенные к сети. От сервера зависят работоспособность всей сети и
сохранность баз данных и другой информации, поэтому серверы имеют
несколько резервных дублирующих систем хранения данных, электропитания,
возможность замены неисправных блоков без прерывания работы.
Рис. 47. Сервер

75.

В зависимости от назначения определяют следующие типы
серверов:
1. Сервер приложений–обрабатывает запросы от всех станций вычислительной
сети и предоставляет им доступ к общим системным ресурсам (базам данных,
библиотекам программ, принтерам, факсам и др.).
2. Файл-сервер – для работы с базами данных и использования файлов
информации, хранящихся в ней.
3. Архивационный сервер – для резервного копирования
информации в крупных многосервисных сетях. Он использует
накопители на магнитной ленте (стриммеры) со сменными картриджами емкостью до 5 Гбайт. Обычно выполняет ежедневное
автоматическое архивирование информации от подключенных
серверов и рабочих станций.
4. Факс-сервер – для организации эффективной многоадресной факсимильной связи с несколькими факс-модемными платами и со
специальной защитой информации от несанкционированного доступа в
процессе передачи, с системой хранения электронных факсов.
5. Почтовый сервер – то же, что и факс-сервер, но для организации
электронной почты, с электронными почтовыми ящиками.
6. Сервер печати – для эффективного использования системных принтеров.
7. Сервер телеконференций – компьютер, имеющий программу обслуживания
пользователей телеконференциями и новостями, он также может иметь
систему автоматической обработки видеоизображений.

76.

Мини-ЭВМ
Мини-ЭВМ появились в начале 1970-х гг. Их традиционное использование –
либо для управления технологическими процессами, либо в режиме разделения
времени в качестве управляющей машины небольшой локальной сети. МиниЭВМ используются, в частности, для управления станками с ЧПУ, другим
оборудованием.
МикроЭВМ
МикроЭВМ обязаны своим появлением микропроцессорам.
Среди них выделяют:
1) многопользовательские, оборудованные многими выносными терминалами и
работающие в режиме разделения времени;
2) встроенные, которые могут управлять станком, какой -либо подсистемой автомобиля или другого устройства (в том числе и военного назначения), будучи его
малой частью. Эти встроенные устройства (их часто называют контроллерами).
Именно из этого направления вышли персональные компьютеры.

77.

Персональные компьютеры
Персональный компьютер – компьютер (вычислительная машина), предназначенный для личного использования, цена, размеры и возможности которого
удовлетворяют потребностям большого количества людей. История
персональных компьютеров началась на рубеже 80–90-х гг. прошлого века.
Корпорация «IBM» разработала и начала выпускать настольный компьютер
IBM PC. Это название переводилось очень просто – персональный компьютер
корпорации «IBM». Сегодня, как правило, под термином «персональный
компьютер» понимают настольный компьютер с процессором производства
корпорации «INTEL» или «AMD». В компьютерах IBM PC использовался 16разрядный процессор «INTEL» 8088/86, который производила корпорация
«INTEL». Одним из пионеров в производстве персональных компьютеров была
компания «Apple». Ее основатели С. Джобс и С. Возняк собрали первую модель
персонального компьютера в 1976 г. и назвали ее «Apple I».
Открытая архитектура IBM PC позволила независимым производителям
разрабатывать различные дополнительные устройства. Фактически IBM PC стал
стандартом персонального компьютера. В 1983 г. был выпущен компьютер IBM
PC XT, в 1985 г. – компьютер IBM PC AT (Advanced Technology – совершенствованная Технология) на основе нового микропроцессора Intel-80286, работающий в
3–4 раза быстрее IBM PC XT.

78.

В 1985 г. фирма «Intel» выпустила первый 32-битный центральный процессор
Intel 80386. Таким образом, началась эра персональных компьютеров,
доступных каждому. После того как персональные компьютеры стали производить множество фирм, новым модификациям компьютеров перестали
присваивать имена, такие как IBM PC, IBM PC XT и IBM PC AT. Вместо личных
имен для маркировки персонального компьютера стал использоваться логотип
компании-сборщика и название используемого процессора плюс его тактовая
частота. Данная методика используется до сих пор, за исключением добавления в маркировку количества ядер в процессоре.
Достоинства персональных компьютеров
Персональные компьютеры имеют много достоинств:
1. Невысокая стоимость компьютеров и их сравнительная выгодность для
многих деловых применений по сравнению с большими ЭВМ и суперЭВМ.
2. Простота использования, обеспеченная с помощью диалогового способа
взаимодействия c компьютером, удобных и понятных интерфейсов программ
(меню, подсказки, «помощь» и т.д.). 3. Возможность индивидуального
взаимодействия с компьютером, без каких-либо посредников и ограничений.
4. Высокая надежность и простота ремонта.
5. Возможность объединения в сети, что позволяет миллионам пользователей
обмениваться информацией и одновременно получать доступ к общим базам
данных.
В течение следующих десятилетий продолжалось все большее увеличение
скорости и интеграции микропроцессоров.

79.

Появились сверхбольшие интегральные схемы, включающие миллионы элементов
на один кристалл. Это позволило продолжить уменьшение размеров и стоимости
компьютеров и повысить их производительность и надежность.
В 1990–91 гг. был выпущен портативный персональный компьютер ПК-300
(совместимый с IBM PC/XT). Он умещался в портфель, имел полноформатную
клавиатуру, жидкокристаллический экран (640 200 точек), оперативную память на
640 килобайт, два дисковода для дискет емкостью 720 килобайт (89 мм).
Компьютер имел возможность автономной работы в течение четырех часов.
С 1999 г. в области персональных компьютеров начинает действовать международный сертификационный стандарт – спецификация РС99 (и ее дальнейшие вариации,
например РС2001).
Он регламентирует принципы классификации персональных компьютеров и
оговаривает минимальные и рекомендуемые требования к каждой из категорий.
Новый стандарт устанавливает следующие категории персональных компьютеров и
ноутбуков:
- Consumer PC (массовый ПК). Согласно спецификации РС99 большинство
персональных компьютеров, существующих в настоящее время на рынке, попадают
в категорию массовых ПК;
- Office PC (деловой ПК). В нем минимизированы требования к средствам
воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными
требования вообще не предъявляются;
- Mobile PC (портативный ПК). Здесь обязательным является наличие средств для
создания соединений удаленного доступа, т.е. средств компьютерной связи;

80.

- Workstation PC (рабочая станция). Повышены требования к устройствам
хранения данных;
- Server (Серверы). Это многопользовательские мощные микроЭВМ в
вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех станций сети;
- Entertainmemt PC (развлекательный ПК) повышены требования к средствам
воспроизведения графики и звука.
Конструкции персональных компьютеров
Рис. 48. Системный блок
типа tower
Рис. 49. Ноутбук

81.

Рис. 50. Планшетный
персональный компьютер
Toshiba 3500
Рис. 51. Персональный компьютер
Fi7EPOWER MLK1610
Рис. 52. КПК Acer N10
В ноябре 2009 г. британская компания «Yoyotech»
представила настольный компьютер Fi7EPOWER MLK1610
созданный с единственной целью: показать лучшую в
мире производительность. Система Fi7EPOWER MLK1610
построена на базе процессора Intel i7-965 Extreme Edition
с частотой 3,73 ГГц. В тесте пиковой производительности
целочисленных вычислений компьютер набрал 130
баллов.

82.

83.

Характерные черты ЭВМ четвертого поколения
У ЭВМ четвертого поколения выделяются следующие характерные особенности:
1. Элементная база: большие и сверхбольшие интегральные
схемы (от десятков до сотен тысяч компонентов на кристалле).
2. Быстродействие: от десятков до сотен миллионов операций в секунду.
3. Габариты: либо персональный компьютер – на одном
рабочем столе либо мэйнфреймы и суперкомпьютеры с огромными
машинными залами.
4. Программное обеспечение: появились объективно ориентированные языки
программирования.
5. Эксплуатация – совместимость ПО снизу доверху -принцип открытой
архитектуры, предусматривающий возможность дополнения имеющихся
аппаратных средств без смены старых или их модификация без замены всего
компьютера.

84.

85.

86.

4.7. Компьютеры будущего
4.7.1. Компьютеры пятого поколения
Прогресс в развитии вычислительной техники с первого по четвертое
околение был связан с развитием элементной базы.
Переход к компьютерам пятого поколения предполагает переход к новым
технологиям и архитектурам, ориентированным на создание искусственного
интеллекта. Определить требования к компьютерам пятого поколения
чрезвычайно трудно, потому что они все еще находятся в стадии разработки.
В 1982 г. в Японии был учрежден комитет по разработке компьютеров новых
поколений (ICOT), который разработал план создания компьютера пятого
поколения. Комитет определил следующие основные требования к
компьютерам пятого поколения:
создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание
речи, образов);
2) развитие логического программирования для создания баз знаний и
систем искусственного интеллекта;
3) создание новых технологий в производстве сверхбольших интегральных
схем;
4) создание архитектур компьютеров и вычислительных комплексов с новыми
возможностями:

87.

- возможностью взаимодействия с ЭВМ с помощью естественного языка,
человеческой речи и графических изображений;
- способностью системы обучаться, производить ассоциативную
обработку информации, делать логические суждения, вести
«разумную» беседу с человеком в форме вопросов и ответов;
- способностью системы «понимать» содержимое базы данных,
которая при этом превращается в базу знаний, и использовать
эти знания при решении задач.
Эти возможности ЭВМ пятого поколения (машины баз знаний,
универсальные решатели задач и т.д.) должны были быть
реализованы аппаратно-программно.
Предполагалось, что в ЭВМ пятого поколения быстродействие машин
и емкость основной памяти составят: для персональных
компьютеров – 2 млн операций в секунду и 0,5–5 Мбайт, а для
сверхпроизводительных ЭВМ – от 1 до 100 млрд операций в секунду
и до 160 Мбайт (ОП).

88.

- возможностью взаимодействия с ЭВМ с помощью естественного языка,
человеческой речи и графических изображений;
- способностью системы обучаться, производить ассоциативную обработку
информации, делать логические суждения, вести
«разумную» беседу с человеком в форме вопросов и ответов;
- способностью системы «понимать» содержимое базы данных, которая
при этом превращается в базу знаний, и использовать эти знания
при решении задач.
Эти возможности ЭВМ пятого поколения (машины баз знаний, универсальные
решатели задач и т.д.) должны были быть реализованы аппаратно-программно.
Продолжается дальнейшее развитие архитектур компьютеров. Интенсивные
разработки ведутся по многим направлениям.
Особенностью этих архитектур является то, что все они основаны не на
кремниевых технологиях.
К технологиям, способным экспоненциально увеличивать производительность
компьютеров, следует отнести:
- создание молекулярных компьютеров;
- создание биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);
- разработку квантовых компьютеров;
- разработку оптических компьютеров.

89.

Кратко рассмотрим основные принципы их построения.
Молекулярные компьютеры
Молекулярные компьютеры – вычислительные системы, использующие
вычислительные возможности молекул (преимущественно органических).
В молекулярных компьютерах используется идея вычислительных
возможностей расположения атомов в пространстве.
Во многих странах проводятся опыты по синтезу молекул на основе их
стереохимического генетического кода, способных менять ориентацию и
реагировать на воздействия током, светом и т.п.
ДНК-компьютер
ДНК-компьютер – вычислительная система, использующая вычислительные
возможности молекул ДНК (рис. 53). Функционирование ДНК-компьютера
сходно с функционированием теоретического устройства, известного в
информатике как машина Тьюринга.
ДНК-процессоры на уровне отдельных молекул
работают очень медленно, но зато с их помощью
можно организовывать параллельные вычисления, что дает перспективы по наращиванию
производительности. Потребляемая мощность
таких процессоров очень мала.
Рис. 53. ДНК-процессор

90.

В 2003 г. сотрудники лаборатории биомолекулярных компьютеров Вейцмановского научного института (Израиль) во главе с профессором Э. Шапиро
объявили о создании новой модели биомолекулярной машины, которая не
требует наружного источника энергии и работает в 50 раз быстрее, чем ее
предшественники. Ранние системы зависели от молекул АТФ, которые являются главным источником энергии клеточных реакций. В последней модели
молекула ДНК обеспечивает и обработку данных, и достаточное количество
энергии для выполнения операций. Новый ДНК-компьютер, способный
производить 330 трлн вычислительных операций в секунду, был внесен в Книгу
рекордов Гиннеса как «самое маленькое биологическое вычислительное
устройство, когда-либо построенное человеком».
Биокомпьютеры или нейрокомпьютеры
Нейрокомпьютеры – это компьютеры, которые состоят из большого числа
параллельно работающих простых вычислительных элементов (нейронов).
Элементы связаны между собой, образуя нейронную сеть. Они выполняют
единообразные вычислительные действия и не требуют внешнего управления.
Большое число параллельно работающих вычислительных элементов обеспечивают высокое быстродействие. Архитектура нейрокомпьютеров иная, чем
у обычных вычислительных машин. Микросхемы близки по строению нейронным сетям человеческого мозга.

91.

Автором этих идей был американский нейрофизиолог Ф. Розенблат. В 1958 г.
он предложил свою модель нейронной сети. Он указал, что структуры,
обладающие свойствами мозга и нервной системы, позволяют получить
целый ряд преимуществ, а именно:
- более высокую надежность;
- параллельность обработки информационных потоков;
- способность к обучению и настройке;
- способность к автоматической классификации;
- ассоциативность.
Он способен к обучению, а значит, ему под силу справиться с задачами,
которые обычному компьютеру не под силу. Его главная особенность –
способность решать задачи без четкого алгоритма или с огромными потоками
информации. Поэтому уже сегодня нейрокомпьютеры применяются на
финансовых биржах, где помогают предсказывать колебания курса валют и
акций. Нейрокомпьютеры, распознавая образы, корректируют полет ракет по
заданному маршруту. Типичными представителями таких систем являются
компьютеры семейства Mark фирмы «TRW», пример такого компьютера
«Mark IV» – это однопроцессорный суперкомпьютер с конвейерной архитектурой. Он поддерживает до 236 тыс. виртуальных процессорных элементов,
что позволяет обрабатывать до 5 млн меж соединений в секунду.

92.

Другой интересной моделью является нейрокомпьютер NETSIM, созданный
фирмой Texas Instruments на базе разработок Кембриджского университета.
Его производительность достигает 450 млн меж соединений в секунду.
Среди разрабатываемых в настоящее время нейроБИС выделяются модели
фирмы Adaptive Solutions (США) и Hitachi (Япония). НейроБИС фирмы Adaptive
Solutions, вероятно, станет одной из самых быстродействующих: объявленная
скорость обработки составляет 1,2 млрд соединений в секунду и содержит
64 нейрона. НейроБИС фирмы Hitachi позволяет реализовать схему, содержащую до 576 нейронов. Эти нейроБИС, несомненно, станут основой новых
нейрокомпьютеров и специализированных многопроцессорных изделий.
Большинство сегодняшних нейрокомпьютеров представляют собой просто
персональный компьютер или рабочую станцию, в состав которых входит
дополнительная нейроплата.

93.

94.

Показатели производительности различных классов
компьютеров
FLOPS (или flops или flop/s) (акроним от англ. Floating point
Operations Per Second) – величина, используемая для измерения
производительности компьютеров. FLOPS показывает, сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная вычислительная система.
Одним из важнейших достоинств показателя флопс является то, что он может быть истолкован как абсолютная величина и
вычислен теоретически, в то время как большинство других популярных мер являются относительными и позволяют оценить
испытуемую систему лишь в сравнении с рядом других.